一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法與流程

2023-06-06 02:31:16 1

本發明涉及電力電子技術仿真領域，更具體涉及一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法。
背景技術：
：：絕緣柵雙極性電晶體集合了功率MOSFET與雙極型器件的雙重優點，具有輸入阻抗高、耐高壓、承受電流容量大、開關速度快等特性，受到了越來越多的關注和研究。在當前電力電子
技術領域：
，高壓IGBT與二極體構成開關模塊已經廣泛應用於各種電壓源型電力電子變換裝置中，如電壓源換流器型直流輸電(VSC-HVDC)、靜止無功補償器(STATCON)等，對於其開關暫態過程的研究及建模越來越重要。因此，建立精確的熱電耦合IGBT模塊暫態模型，對變換器的安全可靠運行和電氣性能優化具有重要的指導意義。目前，在電力電子器件的建模研究中，主要採用機理模型和行為模型兩大類。機理模型是利用半導體物理學知識對載流子的電學行為進行簡化得到解析表達式進而求解物理方程。其典型代表有：Hefner模型，KuangSheng模型和Kraus模型。機理模型的參數獲取對於缺少器件物理知識的用戶來說非常困難，且模型含有複雜的半導體物理方程，計算量大，仿真時間長，存在計算收斂等問題。行為模型相對仿真速度比較快，但是只考慮器件外特性，物理概念不清楚，參數不易調整，模型通用性相對較差。採用機理推導、電氣等效、曲線擬合等方法，綜合考慮模型準確度、仿真速度、熱學特性對器件電氣參數影響以及IGBT的暫態特性與二極體的反向恢復特性相互影響，避免求解複雜的半導體物理方程，基於器件手冊數據， 提取暫態模型的關鍵參數，建立相應暫態模型及熱學特性模型，共同構成可模擬IGBT模塊電壓電流尖峰、拖尾電流、米勒平臺、二極體反向恢復等開關暫態特性及熱學特性的熱電耦合IGBT模塊暫態模型顯得尤為重要。技術實現要素：：本發明的目的是提供一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法，不僅可以實現電路仿真中IGBT模塊的各種運行狀態，而且可以在納秒級小步長下模擬IGBT模塊的電壓電流尖峰、拖尾電流、米勒平臺、二極體反向恢復等開關暫態特性並考慮溫度損耗等熱學特性對器件參數的影響，模擬熱電耦合特性。為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法，包括：建立IGBT模塊開關暫態模型；建立IGBT平均功耗模塊；建立IGBT平均熱阻模塊；建立IGBT熱電耦合模塊；根據所述模塊建立熱電耦合IGBT模塊暫態模型。本發明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法，所述IGBT模塊開關暫態模型包括建立的IGBT開關暫態模型和建立的反並聯二極體反向恢復模型。本發明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法，所述IGBT平均功耗模塊包括開通功耗、關斷功耗和通態功耗。本發明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法，假設佔空比為δ，流過IGBT模塊的電流為正弦信號：iC＝ICMsinα，隨著載波頻率的提高， 導通損耗減小，半周期內總的導通損耗不變，半周期內IGBT的通態功耗為：P1=12π0πVCEiCδdα=VCEN-VCE04ICNδICM2+δVCE0ICMπ]]>其中，α為電流相角，VCE為IGBT模塊兩端電壓，VCEN和ICN為數據手冊上額定電壓和額定電流，VCE0為門檻電壓，ICM為正弦信號幅值。設tr和tf分別為器件的上升和下降時間，f為開關頻率，得到所述正弦信號一個周期開通功耗為：EON=12πoπ12VCEiCtrdα=12πVCENtrICM]]>同理可得一個周期內的關斷損耗：EOFF=12πVCENtfICM]]>由疊加原理，總的開關損耗功率為開通關斷功耗的和:P2＝(EON+EOFF)×f由上述分析可得，在假設條件下，一個IGBT總的功耗為:P=P1+P2=VCEN-VCE04ICNδICM2+δVCE0ICMπ+(12πVCENtrICM+12πVCENtfICM)×f]]>本發明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法，建立所述IGBT平均熱阻模塊前提包括：假設IGBT熱傳導率與溫度無關；假設IGBT中存在一個統一的結溫，所述結溫是某個平均結溫，也就IGBT結到管殼間的平均熱阻。本發明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法，所述平均熱阻RT通過下式確定：RT=ΔTP=Tj-TCP]]>Tj＝TC+PRT其中，Tj為結溫，TC為常溫298K，P為平均功耗。本發明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法，所述熱電耦合IGBT模塊暫態模型中受溫度影響變化的IGBT器件內部電氣參數包括過剩載流子壽命τ，柵極門檻電壓VT和跨導KP；並通過下式確定：τ(Tj)=τ(T0)(TjT0)1.5VT(Tj)=VT(T0)-Kth(Tj-T0)Kp(Tj)=Kp(T0)(T0Tj)0.8]]>其中，τ(T0)，VT(T0)，KP(T0)分別為過剩載流子濃度，門檻電壓，跨導參數在常溫T0時的值；τ(Tj)，VT(Tj)，KP(Tj)為溫度為Tj時的值；Kth為門檻電壓的係數。本發明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法，所述IGBT開關暫態模型包括MOSFET-BJT模塊、拖尾電流模塊和寄生電容模塊。本發明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法，所述MOSFET-BJT模塊通過將所述拖尾電流模塊中的拖尾電流和當IGBT工作於不同狀態時，採用壓控電流源來模擬所述IGBT模塊開關暫態模型的通態電流IC結合獲得；所述通態電流IC，其解析表達式如下：IC=(1+β)Imos=0,Vge≤VTK(Vge-VT-Vce2)Vce,Vce≤Vge-VTK(Vge-VT)22,Vce>Vge-VT]]>其中，等效跨導K＝(1+β)Kp；Vge為柵射極電壓；VT為IGBT導通門檻電壓；Vce為IGBT集射極電壓；Kp為MOSFET的跨導參數；β為BJT電流增益；Imos為流過MOSFET電流；所述拖尾電流通過下式確定：Itail=βImose-t-t0τ=Itail0e-t-t0τ]]>其中，τ為少數載流子壽命即拖尾時間常數；t為拖尾起始後仿真時刻；t0為拖尾電流起始時間；關斷過程中當Vge小於閾值電壓時開始拖尾，此時集電極電流為拖尾起始電流Itail0；利用輸入電容Cies、輸出電容Coes和反饋電容Cres與極間電容的關係，結合IGBT模塊器件手冊數據，得各極間寄生電容值，完成寄生電容模塊。本發明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法，所述反並聯二極體反向恢復模型結合二極體反向恢復特性，並基於器件數據手冊，建立其相應模型。和最接近的現有技術比，本發明提供技術方案具有以下優異效果1、本發明提供的技術方案針對高壓IGBT模塊應用場合，基於現有模型研究，採用機理推導、電氣等效、曲線擬合等方法，綜合考慮模型準確度和仿真速度，避免求解複雜的半導體物理方程，基於器件手冊數據，提取暫態模型的關鍵參數；2、本發明提供的技術方案的模型，物理概念清晰，將熱學特性對器件電氣參數影響以及IGBT的暫態特性與二極體的反向恢復特性相互影響綜合考慮，結果真實可靠；3、本發明提供的技術方案的參數顯著減少且容易提取，易調整，適用於不同IGBT及高壓應用場合；4、本發明提供的技術方案不僅可以實現電路仿真中IGBT模塊各種運行狀態，而且可以在納秒級仿真步長下模擬高壓IGBT模塊的電壓電流尖峰、拖尾電流、米勒平臺、二極體反向恢復等開關暫態特性及器件熱電耦合特性；5、本發明提供的技術方案，對變換器的安全可靠運行和電氣性能優化具有重要的指導意義。附圖說明圖1為本發明提供技術方案的熱電耦合IGBT模塊暫態模型結構圖；圖2為本發明提供技術方案IGBT模塊開關暫態模型電路圖；圖3為本發明提供技術方案MOSFET-BJT模塊在PSCAD/EMTDC平臺下的實現電路圖；圖4為本發明提供技術方案二極體反向恢復模塊在PSCAD/EMTDC平臺下的實現電路圖；圖5為本發明提供技術方案極間寄生電容模塊在PSCAD/EMTDC平臺下的實現電路圖；圖6為本發明提供技術方案平均功耗模塊結構示意圖；圖7為本發明提供技術方案平均熱阻模塊結構示意圖；圖8為本發明提供技術方案熱電耦合模塊結構示意圖；圖9為本發明提供技術方案用於測試及驗證模型正確性的二極體箝位的阻感性負載IGBT模塊測試電路圖；圖10為本發明提供技術方案在PSCAD/EMTDC平臺下搭建的測試電路與SABER仿真軟體下搭建的測試電路仿真波形對比圖；圖11為本發明提供技術方案在PSCAD/EMTDC平臺下搭建的測試電路仿真波形與實驗實測數據對比圖。具體實施方式下面結合實施例對發明作進一步的詳細說明。實施例1：本例的發明提供一種熱電耦合IGBT模塊暫態模型建立方法，包括：步驟1：建立IGBT開關暫態模型；步驟2：建立反並聯二極體反向恢復模型；步驟3：根據步驟1和步驟2所得到的IGBT開關暫態模型和二極體反向恢復模型，將兩者按照IGBT模塊電路結構連接，添加電路結構模塊和控制參數模塊，建立IGBT模塊開關暫態模型。步驟4：建立IGBT平均功耗模塊。步驟5：建立IGBT平均熱阻模塊。步驟6：建立IGBT熱電耦合模塊。步驟7：將上述步驟建立的模塊組成完整熱電耦合IGBT模塊暫態模型。IGBT暫態模型包括MOSFET-BJT模塊、拖尾電流模塊、寄生電容模塊，具體對上述三種模塊進行建模如下：(1)MOSFET-BJT模塊：IGBT導通時，內部有兩個電流通路：1)電子流動產生的電流通路In，對應於MOSFET結構。2)空穴流動產生的電流通路Ip，對應於BJT結構。IGBT工作於不同狀態時，可採用壓控電流源來模擬IGBT模塊的通態電流IC，其解析表達式如下：IC=(1+β)Imos=0,Vge≤VTK(Vge-VT-Vce2)Vce,Vce≤Vge-VTK(Vge-VT)22,Vce>Vge-VT---(1)]]>其中，等效跨導K＝(1+β)Kp；Vge為柵射極電壓；VT為IGBT導通門檻電壓；Vce為IGBT集射極電壓；Kp為MOSFET跨導；β為BJT電流增益；Imos 為流過MOSFET電流；IC為流過IGBT電流即集電極電流；(2)拖尾電流模塊：在IGBT關斷暫態過程中，由於IGBT存在BJT，基區大量過剩載流子複合需要時間，使得關斷電流會有較長的拖尾時間。Itail=βImose-t-t0τ=Itail0e-t-t0τ---(2)]]>其中τ為少數載流子壽命即拖尾時間常數；t0為拖尾電流起始時間；關斷過程中當Vge小於閾值電壓時開始拖尾，此時集電極電流為拖尾起始電流Itail0。將所述式(2)添加至所述式(1)中，即得完整的MOSFET-BJT模塊。(3)寄生電容模塊：在數據手冊中，輸入電容Cies、輸出電容Coes和反饋電容Cres是應用中常用的參數。它們與極間電容的關係如下：Cies＝Cge+CgcCoes＝Cce+Cge(3)Cres＝Cgc利用所述式(3)結合IGBT器件手冊數據，得到各極間寄生電容值，從而完成寄生電容模塊。反並聯二極體反向恢復模型採用宏模型的思路，結合二極體反向恢復特性，基於器件數據手冊，建立相應模型。所述模型相關參數如式(4)所示。τre=LR=1ln10(trr-IrmdIf/dt)Irm=QrrdIfdttrr=2QrrdIf/dtK=IrmLdIf/dt=1LQrrdIf/dt---(4)]]>其中，τre為反向恢復衰減時間常數；R和L為自由量，根據電路仿真要求及實際器件情況，可取L＝100nH，則R根據式(4)取相應值即可；Irm為反向恢復峰值電流；dIf/dt為反向恢復電流斜率；trr為反向恢復時間；Qrr為反向恢復電荷量，Kre為反向恢復比例係數。將上述兩個模型，按照IGBT模塊電路結構連接，由電路結構模塊和自定義控制參數模塊組成完整IGBT模塊暫態模型電路。封裝後的IGBT電路結構模塊對外引出G、C、E三個電極與主電路連接，其內部結構由各極間寄生電容、雜散電阻電感、柵極內阻、MOSFET-BJT壓控電流源和二極體反向恢復電路組成。IGBT平均功耗模塊包括開通功耗、關斷功耗和通態功耗三部分構成，具體對上述三個部分分析如下：IGBT典型的電壓電流曲線(V/A)中的門檻電壓和電流可以用數學插值或者多項式來將曲線線性化，即：VCE=(VCEN-VCE0ICN)iC+VCE0---(5)]]>其中VCEN、ICN分別為額定狀態下IGBT模塊兩端電壓及流過的電流，可以由數據手冊直接得到。VCE0為門檻電壓，通過取點擬合出曲線，也可以得到門檻電壓數值。假設佔空比為δ，流過IGBT模塊的電流為正弦信號：iC＝ICMsinα，隨著載波頻率的提高，導通損耗減小，可以認為半周期內總的導通損耗不變，半周期內IGBT的通態功耗為：P1=12π0πVCEiCδdα=VCEN-VCE04ICNδICM2+δVCE0ICMπ---(6)]]>其中α為電流相角，VCE為IGBT模塊兩端電壓，VCEN和ICN為數據手冊上 額定電壓和額定電流，VCE0為門檻電壓，ICM為正弦信號幅值。設tr和tf分別為器件的上升和下降時間，f為開關頻率，利用數學的方法，結合積分的原理，認為一次開通過程中所損耗的能量為典型的開關波形曲線下面的面積，可以得到正弦信號一個周期開通功耗為：EON=12πoπ12VCEiCtrdα=12πVCENtrICM---(7)]]>同理可得一個周期內的關斷損耗：EOFF=12πVCENtfICM---(8)]]>由疊加原理，總的開關損耗功率為開通關斷功耗的和:P2＝(EON+EOFF)×f(9)由上述分析可得，在假設條件下，一個IGBT總的功耗為:P=P1+P2=VCEN-VCE04ICNδICM2+δVCE0ICMπ+(12πVCENtrICM+12πVCENtfICM)×f---(10)]]>IGBT平均熱阻模型建立有兩個前提：(1)假設熱傳導率與溫度無關，實質上是將半導體晶片中本來是非線性的導熱問題線性化了。(2)假設半導體晶片中存在一個統一的結溫，不過此結溫僅是某個平均結溫而已，所以涉及的也是一個平均熱阻，也就是結到管殼間的平均熱阻。模型建立過程如下：熱阻反映了器件散熱性能得好壞，熱阻比較大表示器件得散熱能力比較差；反之，熱阻比較小表示器件得散熱能力比較好，這樣的器件即使長時間工作也沒有燒毀的危險。本發明基於器件手冊，提取IGBT和續流二極體熱阻參數。根據器件手冊中IGBT以及反並聯二極體的熱阻與脈衝寬度變化的曲線，在Matlab中採用曲線擬合法，獲得熱阻參數解析表達式。則任意給定脈寬可得到相應熱阻，由式(10)可得平均功耗P，由此得到計算結溫計算公式：RT=ΔTP=Tj-TCP---(11)]]>Tj＝TC+PRT(12)Tj為結溫，TC為常溫298K，P與RT由公式可得到，最終可得到結溫Tj，即由功耗輸入可以計算出結溫的輸出。IGBT熱電耦合模型的建立過程如下：半導體器件工作在低溫或高溫環境時，由於某些半導體參數的溫度敏感性，導致器件某些特性發生變化，而使含有該器件的系統產生失真或熱不穩定性。本發明所述模型分析受溫度影響變化的IGBT器件內部關鍵電氣參數，包括過剩載流子壽命τ，柵極門檻電壓VT，跨導KP，相關表達式如下：τ(Tj)=τ(T0)(TjT0)1.5VT(Tj)=VT(T0)-Kth(Tj-T0)Kp(Tj)=Kp(T0)(T0Tj)0.8---(13)]]>其中τ(T0)，VT(T0)，KP(T0)分別為過剩載流子濃度，門檻電壓，跨導參數在常溫T0時的值；τ(Tj)，VT(Tj)，KP(Tj)為溫度為Tj時的值；Kth為門檻電壓的係數，可以測量提取到，這裡可取9mV/K。模型自定義參數模塊主要包括寄生電容參數模塊、MOSFET-BJT電流源模塊以及二極體反向恢復電流源模塊。該模塊接受電路結構模塊以及暫態模型中各節點電壓和支路電流值，根據權利要求2所述建模方法，自定義編程模塊，輸出寄生電容、MOSFET-BJT壓控電流源及二極體電流源參數給電路結構模塊。圖1所示，IGBT功耗模塊根據IGBT模塊開關暫態模型獲得的電壓和電 流值計算出IGBT瞬時功耗參數傳遞給所述步驟5中IGBT熱阻模塊，再計算得到IGBT結溫參數，傳遞給所述步驟6中IGBT熱電耦合模塊，計算得到相應溫度下瞬時器件電氣參數，輸入至所述步驟3中IGBT模塊開關暫態模型，形成完整的熱電耦合暫態閉環系統。圖2中，IGBT模塊由電路結構模塊和自定義參數模塊構成。封裝後的IGBT電路結構模塊對外引出G、C、E三個電極與主電路連接，其內部結構由各極間寄生電容、雜散電阻電感、柵極內阻、MOSFET-BJT壓控電流源和二極體反向恢復電路組成。用軟體模塊採集各節點電壓和支路電流值輸入給模型自定義參數模塊，同時接受自定義參數模塊的輸出作為壓控電流源的控制源，由柵極G引入驅動電壓信號，實現對IGBT工作狀態和各極電壓電流的控制。電路結構模塊和IGBT靜態和動態特性緊密對應。圖3為自定義參數模塊，主要包括MOSFET-BJT電流源模塊、二極體反向恢復電流源模塊以及寄生電容參數模塊。自定義參數模塊接受電路結構模塊以及暫態模型中各節點電壓和支路電流值，根據所述建模方法，自定義編程模塊，輸出寄生電容、MOSFET-BJT壓控電流源及二極體電流源參數給電路結構模塊。圖4為MOSFET-BJT電流源模塊，其中模塊輸入為導通門檻電壓VT、柵射極電壓Vge、集射極電壓Vce、集電極電流IC、仿真時間t以及相關控制參數等，而輸出為MOSFET-BJT壓控電流源的電流值Imos1。通過內部按照所述步驟1內容自定義編程實現，模擬MOSFET與BJT的特性。圖5為二極體反向恢復電流源模塊，其中模塊輸入為二極體電流Id、仿真時間t、反向恢復電流峰值Irm、反向恢復電流斜率dif等反向恢復參數，而輸出為二極體反向恢復電流源的電流值If。通過內部按照所述步驟2內容自 定義編程實現，模擬二極體的反向恢復特性。圖6為極間寄生電容模塊，其中模塊輸入為集射極電壓Vce、仿真時間t，而模塊輸出為輸入電容Cies、輸出電容Coes、反饋電容Cres。通過器件手冊電容特性曲線自定義編程實現，再按照所述步驟3轉化成極間寄生電容Cge、Cgc和Cce。圖7為IGBT熱學特性模塊。IGBT功耗模塊根據暫態模型獲得的電壓和電流值計算出IGBT瞬時功耗參數傳遞給IGBT熱阻模塊，再計算得到IGBT結溫參數，傳遞給IGBT熱電耦合模塊，計算得到相應溫度下瞬時器件電氣參數。圖8為IGBT模塊平均功耗模塊。其中模塊輸入為IGBT模塊瞬時集射極電壓Vce和集電極電流IC，輸出為IGBT模塊平均功耗P，輸入至IGBT熱阻模塊。通過內部按照所述步驟4內容自定義編程實現，模擬IGBT模塊平均功耗特性。圖9為IGBT平均熱阻模塊。其中模塊輸入為IGBT模塊平均功耗P，瞬時IGBT模塊熱阻RT以及常溫時IGBT結溫TC，輸出為IGBT模塊瞬時結溫。通過內部按照所述步驟5內容自定義編程實現，模擬IGBT模塊平均熱阻特性。圖10為IGBT熱電耦合模塊。其中模塊輸入為IGBT模塊熱阻模塊輸出瞬時結溫，輸出為過剩載流子壽命τ，柵極門檻電壓VT，等效跨導K。通過內部按照所述步驟6內容自定義編程實現，模擬IGBT模塊熱電耦合特性，分析器件關鍵電氣參數受溫度的影響。圖11為用二極體箝位的阻感性負載電路作為高壓IGBT模塊開關暫態模型測試電路。其中，續流二極體用IGBT模塊代替，RG為柵極外部電阻取6Ω， LL為感性負載取50uH，RL為負載電阻取2.2Ω，外部電壓VCC為1kV。表1IGBT模塊開關暫態模型關鍵參數表1為以三菱公司生產的CM450DXL-34SA型1.7kV/450A-IGBT功率模塊為例，IGBT模塊開關暫態模型的關鍵參數。兩路柵極驅動信號Ug1和Ug2通過輸出+15V與0V來分別控制IGBT1模塊和IGBT2模塊的工作狀態。測試電路中，Ug1恆定為0V，即IGBT1保持關斷，只起續流二極體作用。通過控制Ug2輸出電壓+15V與0V先導通IGBT2模塊，對負載電感LL充電，將電路電流升至450A，再關斷IGBT2模塊得到IGBT2模塊的關斷電流和電壓暫態波形，負載電感通過IGBT1模塊中二極體續流，再開通IGBT2模塊得到相應的開通電壓電流暫態波形來測試模型穩態和暫態特性，PSCAD和SABER的仿真波形對比結果如圖6所示。為進一步驗證模型正確性，採用IGBT型號為SGH40N60，續流二極體的型號為HFA25TB60，根據相應型號器件手冊，提取並修改相關仿真參數，仿真波形與實驗實測數據對比結果如圖7所示。通過PSCAD仿真波形與SABER仿真波形以及實驗實測數據對比，本發明提出的實用熱電耦合IGBT模塊暫態模型不僅能夠實現IGBT的各種工作狀態，而且可以模擬電流電壓尖峰、米勒平臺、拖尾電流、二極體反向恢復電流等開關暫態特性以及IGBT模塊熱電耦合特性。最後應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員儘管參照上述實施例應當理解：依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp